深部大采高工作面岩层运动规律研究

2021-08-10张园园

陕西煤炭 2021年4期

张园园

(陕西黄陵二号煤矿有限公司，陕西延安 727307)

0 引言

煤炭能源的安全高效开采是西部矿区普遍面临的问题。为了满足由新时代下国内主要矛盾的转化对能源的大量需求，煤炭资源开采埋深已经迈入第二深度[1]。深部开采中地质结构复杂，应力及应力传播发生明显变化，给煤炭开采带来了巨大的挑战。根据科学采矿和煤炭革命3.0的煤炭生产理念[2]，煤炭安全生产必须根据煤层赋存条件、围岩结构特征、采动特点等，分析岩层运动及支架受力特征，对安全生产具有现实必要性。黄陇矿区是我国14个亿吨大型煤炭基地之一，煤炭储量丰富，顶板结构变化大。其中埋深500 m以上占到总储量的65%以上。长壁工作面一次采全高开采过程中，复合顶板断裂失稳直接影响支架稳工况。受时空、覆岩结构、地质构造等因素影响，2018年10月至2019年3月，黄陵矿区顶板动力学灾害频发。多场应力叠加与演化致灾为现场安全防控提出了难题。

进入深部开采后受地质力学影响，矿井呈现典型的“三高一扰动”的运动特点[3-8]。随着煤炭资源不断向深部迈进，岩层运动及支架选型的实践探索及研究具有现实必要性。为此，以陕西黄陵二号井为背景，以顶板控制为目标，通过现场调查、数值计算、理论分析和现场监测开展深部大采高工作面群岩层运动及支架选型的研究，对深部矿井建立科学—安全—和谐的开采模式，具有现实的必要性。

1 工程背景

1.1 井田特征

陕西黄陵二号煤矿位于黄陇矿区中部，黄陵矿区西北部，是典型的瓦斯油型气共生矿井和智能化生产矿井[9-11]。是国家批建的14个大型煤炭生产基地(黄陇矿区)的主要生产矿井之一；是陕西煤业能源有限责任公司特大型高产高效现代化矿井；是集团所属主要优质动力煤生产地之一。地质构造为一倾向NW-NWW的单斜构造，地层倾角一般1°～5°。延安组呈一倾向NWW的单斜构造将井田一分为二，其一位于井田中部，长约34 km，宽2.6～5 km；其二位于井田西部，长约28 km，宽约3.5 km，幅度20～30 m。

1.2 围岩特性

矿井初期普查勘探结果表明：二号井开采范围内四盘区2号煤层，盘区内地表标高+1 157～+1 364 m，井下标高+711～+732 m，平均埋深约530 m；工作面及附近钻孔揭露的煤层厚度最大7.09 m，最小5.1 m，平均约6.1 m。四盘区各工作面煤层上覆顶板依次为细砂岩、粉砂岩相互交替叠加，煤层埋藏条件如图1所示，围岩特征见表1。开采过程中采动煤岩应力与储能随时间与开采位置变化不断释放与转移，加剧围岩裂隙发育。随着工作面的更迭，造成了岩层运动的大空间，更易造成工作面漏顶、掉矸、煤壁片帮等矿压显现。

图1 煤层柱状图

表1 煤层顶底板特性

1.3 生产条件

矿井共划分10个盘区，目前开采的四盘区为单翼开采，各工作面走向长度2 632 m，倾斜长度300 m。煤层属稳定-较稳定煤层，选用长壁后退式一次采全高的采煤法，全部垮落法处理采空区顶板。直接顶为上部的细粒砂岩和粉砂岩的总和，形成复合顶板。工作面平均每天推进10刀，每刀进尺0.9 m。

2 工作面复合顶板变化特征

2.1 数值计算搭建

根据四盘区岩层赋存特点，建立如图2所示的FLAC3D三维数值模型，分析受采动影响下更迭工作面应力分布和变形特征。围岩力学参数见表2。模型尺寸为1 500 m×570 m×10 m，节点共17 586个、划分网格11 468个，工作面模拟至地表，工作面区段煤柱40 m。模型设计3个工作面，形成大采高工作群，依次开挖414、416、418工作面。通过Mohr-Coulomb准则计算，分析采动下复合顶板应力-运动-破坏特征。

表2 围岩力学参数

2.2 工作面群演化特征

充分采动后计算中所输出的塑性破坏区分布数据均赋予相对的时间概念。工作面顶板受时空关系、覆岩结构、岩性等因素影响，工作面依次更迭开采后顶板发生破坏，其演化规律如图3所示。414工作面开采稳定后，岩层的塑性破坏呈对称性，如图3(a)所示。岩层为典型“三带”“三区”的运动状态，岩层运动整体向上演化，最大演化高度273 m。由于复合顶板的细砂岩完整性较低，随工作面推进，随采随落；粉砂岩强度高、裂隙不发育，工作面中部有210 m完整性较好。416工作面开采结束后，岩层破坏范围增大，两工作面中部呈现对称性，顶部呈“拱”型，最大演化高度约360 m。受煤柱影响，各工作面复合顶板中间部分的140 m、120 m完整。随着盘区开采加剧，覆岩破坏向两边延伸并导致顶板破断，如图3(b)所示。418工作面开采稳定后，416工作面顶板全部破坏；414、418工作面顶板中部完整性缩小，分别为100 m、80 m；覆岩层的塑性破坏最大高度约360 m。由此推断：随着开采形成的工作面群，复合顶板的粉砂岩具有承载作用，并为矿井来压提供力源。由此可知，盘区沿着工作面推进更迭方向，工作面顶板沉降最终形成“U型”的稳定塌陷。

图3 各工作面复合顶板演化规律

2.3 应力分布特征

复合顶板的原岩应力扰动应力是判断各岩层能量的释放和转化的关键。为了反映盘区复合顶板随层位不同的变化，依次提取沿工作面各位置的应力峰值，见表3。第1次(414开挖)计算结果相比较，盘区工作面更迭增加了2～3 MPa；416、418依次开挖，各岩层应力相差在1 MPa范围内。煤柱受2个工作面的采动影响的叠加，应力峰值约为工作面侧的1.6倍。盘区随着工作面开挖个数的增加，煤柱应力最终稳定在42 MPa左右。

盘区3个工作面开采扰动后复合顶板的应力分布情况，如图4所示，顶板分布规律基本相同。工作面开挖扰动后，复合顶板的粉砂岩峰值略高细砂岩。煤柱侧应力变化最大(明显高于煤层侧)；工作面中部向两侧，各约140 m为卸压区；工作面两侧的应力峰值稳定在工作面边界30～40 m之间。由此表明，正常盘区工作面更迭时，应力变化规律基本一致。由于复合顶板的协同性和储能的差异性，粉砂岩的破损-垮落释放的能量大，易造成工作面动力灾害。因此在支架的选型中必须满足高的工作阻力，且支架的稳定性强。

图4 3个工作面复合顶板应力扰动特征

2.4 顶板与支架的关系

工作面复合顶板失稳过程是形成了“支架-顶板”的动态力学过程。随工作面更迭，工作面顶板呈现不同的运动过程，并达到稳定。顶板的应力的集中、转移、释放影响范围大，大量能量的释放导致岩层整体性垮落。受顶板的时-空效应，导致覆岩整体运动剧烈，呈现中部损伤大、两边小的特点。复合顶板运动、垮落及能量释放基于深部、大采高这一条件，得出支架必须具备高初撑力控制顶板加大支架水平抗倾结构和承载能力，适应复合顶板运动对支架稳定性影响。工作面复合顶板沿工作面推进方向运动特点，如图5所示。

图5 工作面复合顶板垮落状态

在力矩极限平衡条件时，底板反力作用于支架底座前段为原点O，此时有式(1)和(2)。

(1)

(2)

式中，α为工作面煤层倾角，(°)；b为支架自重作用方向与支架底座下边缘的水平距离,mm。从式(2)可看出b与α成反比。当支架底座越宽、支架重心越低、支架越稳定，适应性越强。根据煤层及顶板运动特点，选用高工作阻力的二柱掩护式支架支护，支架底座宽度初步确定为1 750 mm。选用ZY12000/28/63D型掩护式液压支架。

3 效果验证

累计统计418工作面1个月(持续的推采245 m)的支架工作阻力监测数据，并利用PM-31电液控制系统自动监测工作面推进过程中支架的工况。工作面压力分布、120#的初撑力、工作阻力，分别如图6、7所示。工作面整体压力较大且具有分区现象，如图6所示。高工作阻力主要集中在50#～165#之间，其中分区为(2)区55#～100#、(1)区110#～155#；1#～50#、170#～175#压力较小，基本保持在35 MPa以下。

图6 418工作面11月支架压力分布

在418工作面245 m的持续推采中，工作面正常生产(无来压)期间，支架总体的工作阻力有小幅度的起伏变化；当支架位置继续沿走向方向延伸时，工作阻力发生变化。工作面累计周期来压7次，其中9～12 d周期来压时间较长，来压压力超过40 MPa；(1)区比(2)区来压的时效性较长，且压力值较大并具有一定的持续性，且45 MPa以上较为频繁。非周期来压期间，支架压力在30～35 MPa、35～40 MPa分别占有整体的46.17%、32.35%。支架的平均工作阻力为7 500～8 420 kN，是额定工作阻力的62.5%～70.2%，支架有一定的富余量；周期来压期间支架加权平均工作阻力为10 550 kN，是额定工作阻力的87.9%，其中最大工作阻力为11 312.8 kN，为额定工作阻力的94.2%，表明支架能够适应周期来压期间的顶板压力。工作面120#初撑力及工作阻力连续监测9 200次，分布特征如图7所示。